變頻器四象限在采煤機(jī)中的應(yīng)用

耿 彪 廉雨晨 許國權(quán)

（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110141）

一、引言

在我國煤礦資源豐富，但煤礦結(jié)構(gòu)復(fù)雜開采難度較大，其中大坡度煤層又占據(jù)了很大一部分。當(dāng)采煤機(jī)在較大坡度上工作時，由于采煤機(jī)自身重量很大，會產(chǎn)生一個較大的下滑力。當(dāng)采煤機(jī)向上爬坡時，要求采煤機(jī)電機(jī)牽引力足夠大，使采煤機(jī)能夠穩(wěn)定上行。當(dāng)采煤機(jī)向下行走時，要求采煤機(jī)有足夠的制動力，來防止采煤機(jī)產(chǎn)生下滑跑車現(xiàn)象，在這種工作狀態(tài)下采煤機(jī)的牽引電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生電能向電網(wǎng)回饋能量，因此為了采煤機(jī)能夠穩(wěn)定可靠的工作，并且消除諧波污染，變頻器四象限的應(yīng)用就成為了一個技術(shù)發(fā)展的方向。

二、采煤機(jī)在大坡度煤層時的受力情況

采煤機(jī)在大坡度煤層向下作業(yè)時，考慮空載下行時采煤機(jī)所需要的電機(jī)制動力最大，此時采煤機(jī)的受力情況如圖1所示。

采煤機(jī)要想平穩(wěn)下滑， F制= F滑- F磨；

其中 F滑= Gsina = mgsina ；

F磨= N0μ = μmgcosa ；

所以 F制= mgsina –μmgcosa ；

根據(jù)功率與力與速度的關(guān)系有，

P制= F制×νZ= mg（sina-μcosa）×νZ；

其中：

F制—采煤機(jī)下行時所需要的制動力；

F滑—采煤機(jī)下行時產(chǎn)生的滑動力；

F磨—采煤機(jī)下行時所產(chǎn)生的摩擦力；

P制—變頻器所提供的制動功率；

νZ—采煤機(jī)下行時的最大速度；

μ—摩擦力因數(shù)；

a —工作面坡度；

以我公司生產(chǎn)的MG300/710-WD型采煤機(jī)為例，其中采煤機(jī)單臺牽引電機(jī)功率為P=45kW，整機(jī)重量為m=34000kg，采煤機(jī)摩擦系數(shù)μ一般介于0.18～0.25之間，這里取μ= 0.2，假設(shè)采煤機(jī)工作面坡度為a=30°，工作速度取νZ=0.2m/s，通過上述公式可以得到采煤機(jī)所需要的制動功率P制=22kW，當(dāng)采煤機(jī)采用一拖一模式時完全能滿足工作需求。

三、牽引電機(jī)在變頻器四象限的運(yùn)行情況

電機(jī)的工作狀態(tài)可以分為電動狀態(tài)和制動狀態(tài)（即發(fā)電狀態(tài)）。當(dāng)采煤機(jī)牽引電機(jī)處于電動狀態(tài)時，牽引電機(jī)把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，由電網(wǎng)經(jīng)變頻器提供能量；當(dāng)牽引電機(jī)處于制動狀態(tài)時，電機(jī)就會產(chǎn)生持續(xù)的電能，電能經(jīng)變頻器直流回路反饋到電網(wǎng)，就會產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的電制動力，即再生制動。

圖1 采煤機(jī)在傾斜工作面下行時的受力情況

圖2 牽引電機(jī)四象限工作狀態(tài)

當(dāng)采煤機(jī)在傾斜面向上工作時，牽引電機(jī)牽引力大于下滑力，牽引電機(jī)處于電動狀態(tài)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和力矩方向相同，采煤機(jī)穩(wěn)定的向上爬坡。牽引電機(jī)在達(dá)到變頻器最大給定速度之前，牽引電機(jī)工作在第一象限。當(dāng)對采煤機(jī)進(jìn)行降頻調(diào)速時，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩方向就會與電機(jī)運(yùn)行速度方向相反，電機(jī)就會從第一象限運(yùn)行到第二象限，電機(jī)狀態(tài)也從電動狀態(tài)轉(zhuǎn)換為制動狀態(tài)，電機(jī)獲得制動轉(zhuǎn)矩，采煤機(jī)降速運(yùn)行直至速度為零。當(dāng)采煤機(jī)向下工作時，采煤機(jī)牽引力方向與力矩方向相同，牽引電機(jī)工作在第三象限，當(dāng)采煤機(jī)工作速度大于變頻器給定速度時，牽引電機(jī)就從第三象限運(yùn)行到第四象限，產(chǎn)生制動力矩防止采煤機(jī)下滑，使采煤機(jī)速度穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)變頻器四象限運(yùn)行。牽引電機(jī)工作狀態(tài)如圖2所示。

結(jié)語

通過四象限變頻器在我公司生產(chǎn)的MG300/710-WD型采煤機(jī)上成功的應(yīng)用，對采煤作業(yè)的高產(chǎn)高效以及工作環(huán)境的適應(yīng)性得到了很大的提高。同時在實(shí)際工作中也對變頻器有了更高的要求：

（1）由于采煤機(jī)在工作時會產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動和沖擊，所以要求變頻器要有很好的抗震能力。

（2）由于變頻器被放置在采煤機(jī)電控箱內(nèi)，密閉的環(huán)境要求變頻器要有很好的散熱性。

（3）煤礦下工作電壓波動大，而且變頻器輸出過電流、短路，牽引電機(jī)堵轉(zhuǎn)情況發(fā)生頻繁，這就要求變頻牽引系統(tǒng)具有過壓、欠壓、過流、短路、過熱等一系列保護(hù)。

[1]陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]石樹君.淺談四象限交流變頻器在采煤機(jī)中的應(yīng)用[J].山西焦煤科技，2006（10）.

[3]符如康，王太續(xù).基于PLC控制的交流變頻調(diào)速電牽引采煤機(jī)[J].煤礦機(jī)電，2007（02）：96.